Основы гидрогеологии

Основы гидрогеологии

Общие сведения о подземных водах

Гидрогеология изучает происхождение, распространение, движение подземных вод, их физические и химические свойства.

Подземные воды содержатся в порах и трещинах горных пород, подземные реки и озера существуют исключительно редко, только в пещерах и в особых условиях.

Подземные воды постоянно находятся в движении, взаимодействуют с вмещающими их породами, участвуют в кругообороте воды в природе. Их главной особенностью является возобновляемость в процессе кругооборота.

И при откачке подземных вод получают не только воду, содержащуюся в некотором объеме горных пород, но при понижении их уровня, устанавливается неограниченный временем приток со стороны. Этим подземные воды отличаются от всех других полезных ископаемых.

По мере все возрастающего загрязнения поверхностных вод, интерес к подземным водам с годами возрастает — для использования их в качестве питьевого водоснабжения, для различных технических нужд, для орошения полей и др. Мировое водопотребление превышает три тысячи кубических километров, доля подземных вод лишь несколько выше 10%.

Но для некоторых стран мира (Саудовская Аравия, Мальта, Дания и др.) подземные воды являются единственным источником. Минеральные воды используются как химическое сырье и для лечебных целей, горячие — в качестве источника энергии.

Основы гидрогеологии

Для получения воды в мире ежегодно бурится более 10 млн. скважин.

Велика и отрицательная роль подземных вод при добыче полезных ископаемых, в строительстве, а иногда и в сельском хозяйстве. При высоком положении уровня подземных вод возникает заболачивание.

Гидросфера Земли слагается из вод мирового океана — 1370 млн. км3 (94%), подземных вод — 60 млн. км3 (4,1%), в том числе зоны активного водообмена — 4 млн км3 (0,3%), ледников — 24 млн км3 (1,7%), озер, рек, почвенной влаги и паров атмосферы (единовременные запасы) — 0,3 млн км3 (0,02%).

Запасы наиболее ценной пресной воды невелики и распределены неравномерно: 85% — ледники, 14% — подземные воды, 1% — озера и реки.

Содержание воды в земной коре, находящейся в порох и трещинах горных пород до глубины 20 км различными исследователями оценивается по разному — от 2 до 8 % по весу; содержание воды в подкоровом мантийном расплаве — 1-2 %.

По данным Всемирной организации здравоохранения, в настоящее время более миллиарда человек страдают от нехватки питьевой воды. Хорошая вода стала предметом экспорта. Прогнозируется, что войны будущего будут из-за источников пресной воды.

Виды воды в горных породах Основы гидрогеологии

Вода в горных породах находится во всех трех агрегатных состояниях: пара, льда и, в основном, в жидком виде.

Водяной пар в подземном пространстве заполняет вместе с воздухом все не занятые водой поры и трещины в горных породах; передвигается от мест с большей упругостью пара к меньшей.

Лед содержится в породах в виде льда-цемента, прослоев и крупных тел — характерно для многолетнемерзлых пород; в умеренном климате — в зоне сезонного промерзания только в виде льда-цемента.

Химически связанная вода представлена конституционной водой, присутствующей в кристаллической решетке минералов в виде ионов ОН-, Н+, Н3О+ и кристаллизационной — входящей в состав кристаллической решетки минералов в виде молекул (например, гипс ).

Физически связанная вода подразделяется на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную). Характерна для глинистых пород, в которых молекулы воды удерживаются на поверхности мельчайших минеральных частичек за счет электромолекулярных сил.

Прочность связи убывает с увеличением расстояния от частички. Прочносвязанная вода обладает необычными свойствами (плотность 2,0 г/см3, замерзает при температуре минус 78°C), двигаться она не способна. Основы гидрогеологии

Движение рыхлосвязанной воды может происходить только путем перетекания с более толстой пленки на более тонкую.

Суммарное содержание гигроскопической и пленочной воды (максимальная молекулярная влагоемкость) может составлять: в песках 1-7 %, в супесях 9-13 %, в суглинках 15-23 %, в глинах 25-40 %. Удалить физически связанную воду из породы можно нагреванием несколько превышающем 100° С. Основы гидрогеологии

Капиллярная вода существует в тонких порах и трещинах. В условиях, когда силы капиллярного натяжения превышают силу тяжести, она способна подниматься вверх от поверхности подземных вод. Такое поднятие возможно: в песках мелкозернистых до 1 м, в супесях до 1,5 м, в суглинках до 2-4 м, в глинах до 4-5 м. Основы гидрогеологии

В районах с глубоким залеганием подземных вод капиллярная вода является источником питания корней растений. В условиях сухого климата высокая капиллярная кайма может стать причиной засоления почв.

Основы гидрогеологии

Процесс капиллярного поднятия необходимо учитывать при строительстве сооружений, для предотвращения поступления капиллярной влаги в стены выполняют гидроизоляцию. Капиллярная вода способна передавать напор.

Гравитационная вода заполняет более крупные поры и трещины в горных породах, она подчиняется силе тяжести и двигается под влиянием этой силы, а также напорного градиента; передает гидростатическое давление.

Именно с этим видом воды, далее, мы и будем, в основном, иметь дело.

Происхождение подземных вод

Выделяют несколько путей образования подземных вод.

Инфильтрационный — просачивание атмосферных осадков и поверхностных вод в глубину (основной);

конденсационный — проникновение водяного пара из атмосферы в поры и трещины горных пород и превращение его в капельно-жидкую воду; Основы гидрогеологии

седиментационный — отжатие воды из свежих илов и выдавливание из молодых глинистых отложений при их уплотнении;

магматический — при внедрении магмы и выделении из неё в земную кору водяного пара (по оценке геохимиков содержание воды в магме от 0,5 до 8 %);

метаморфический — освобождение воды при перекристаллизации осадочных пород.

Посколько подземные воды находятся в движении, происходит смешивание вод, образовавшихся разными путями.

Залегание подземных вод в земной коре

Понятие о водоносном горизонте

Горные породы обладают различной водопроницаемостью и в вертикальном разрезе обычно наблюдается чередование проницаемых пород со слабо или практически водонепроницаемыми.

Если в породе, способной пропускать через себя воду, содержащиеся в ней поры или трещины заполнены гравитационной водой, то в гидрогеологическом смысле такую породу называют водоносным горизонтом.

Последний может иметь любую объемную форму и состоять из разных по составу и даже по возрасту пород. Примеры водоносных горизонтов — насыщенные водой песок, галечник, трещиноватый гранит. Основы гидрогеологии

В противоположность водоносному горизонту, слабо проницаемый или практически непроницаемый для воды слой (или группа слоев) называют водоупорным горизонтом или просто водоупором.

Породы, являющиеся водоупором, содержат связанную воду. Примеры — глина, суглинок, аргиллит. У водоносного и водоупорного горизонтов, также как и у слоя, верхнюю поверхность называют кровлей, нижнюю — подошвой.

При смене в разрезе водоносного горизонта нижезалегающим водоупорным, одну и ту же границу их раздела можно назвать подошвой водоносного горизонта или кровлей водоупора.

Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до его подошвы называют мощностью водоносного горизонта.

Главная

Основы гидрогеологии

Водоносные горизонты существуют в разных геологических условиях. Вблизи поверхности они могут иметь водоупор только снизу — в этом случае гравитационная вода заполняет водопроницаемые породы не на всю их мощность и образующиеся водоносные горизонты не имеют избыточного напора, т.е. они безнапорные.

Глубже, водопроницаемые породы ограничены водоупорами и сверху, и снизу, и содержащиеся в них водоносные горизонты в связи с этим называются межпластовыми. Основы гидрогеологии

Возможны два случая: водопроницаемые породы заполнены водой не на всю их мощность — тогда возникает межпластовый безнапорный водоносный горизонт.

В другом случае водопроницаемые породы заполнены водой на всю их мощность, при этом вода, затекая в породы с более высоких отметок со стороны, по закону сообщающихся сосудов, приобретает напор.

Возникают межпластовые напорные (артезианские) водоносные горизонты.

Для каждого водоносного горизонта выделяют три характерные области: распространения, питания и разгрузки. Далее, более подробно рассмотрим основные особенности перечисленных типов водоносных горизонтов.

Грунтовые воды

Грунтовые воды — это первый от поверхности Земли постоянно существующий водоносный горизонт, залегающий на выдержанном водоупоре (рис. 10.1).

Сверху грунтовые воды обычно не перекрываются водоупором и водопроницаемые породы не заполняются водой на всю их мощность — верхняя их поверхность (кровля) после дождей повышается, в засушливый период — понижается.

В связи с этим принято говорить, что эта поверхность свободная, различное её высотное положение в течение года делает мощность водоносного горизонта переменной. Поверхность грунтовых вод принято называть зеркалом, а на разрезе — уровнем.

После вскрытия грунтовых вод скважинами или колодцами уровень их продолжает оставаться на этой же глубине и по прошествии времени (сезонные колебания здесь в виду не имеются) — это свидетельствует об их безнапорности. Основы гидрогеологии

Следует заметить, что поверхность грунтовых вод, названная выше кровлей, как понятие геометрическое, и уровень — начало зоны полного водонасыщения, у грунтовых вод совпадают.

На отдельных участках, где сверху все же имеются водонепроницаемые породы, грунтовые воды могут приобретать местный небольшой напор.

Величина напора определяется положением уровня грунтовых вод на прилегающих участках, где такого водонепроницаемого перекрытия нет. Напор может появиться и при подъеме уровня грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод в общих чертах повторяет рельеф местности.

Основы гидрогеологии

Для графического его изображения строят карты в изолиниях, называемых гидроизогипсами, показывающими одинаковое высотное положение зеркала грунтовых вод (аналогично горизонталям рельефа).

Подчиняясь силе тяжести, вода двигается от мест с более высоким положением зеркала к низкому по направлению наименьшего сопротивления, от подземных водоразделов к естественным и искусственным дренам — рекам, озерам, канавам, водозаборам и т.п., которые подземными водами питаются. Основы гидрогеологии

Разгрузка происходит и за счет транспирации растениями, а также путем испарения через капиллярную кайму. В областях засушливого и пустынного климата может быть обратное взаимоотношение — реки питают подземные воды.

Рис. 10.1. Зона аэрации и подземные воды:
грунтовый водоносный горизонт
и верховодка (разрез)

Основное питание грунтовые воды получают за счет атмосферных осадков — дождя и снега, а также, путем конденсации водяных паров. Проникают они в водоносный горизонт через расположенную над водоносным горизонтом зону аэрации (англ. «эа» — воздух).

Зону не насыщенную водой, в порах породы, ее слагающей, имеется и воздух, и гравитационная влага, но полного насыщения водой нет.

Питание грунтовые воды могут получать и от более глубоко расположенных водоносных горизонтов — в местах выклинивания водоупоров или при опесчанивании водоупорных пород. У грунтовых вод область питания и область распространения совпадают.

В зоне аэрации могут быть временные (обычно в весенний и в начале летнего периода) небольшие по площади распространения и мощности водоносные горизонты, образовавшиеся на прослойках и линзах водонепроницаемых пород, называемые верховодкой. К концу лета они обычно исчезают.

Грунтовые воды распространены повсеместно и приурочены, в основном, к молодым рыхлым отложениям, легко доступны и широко используются. 

Межпластовые безнапорные воды

Межпластовые воды со свободной поверхностью, т.е. безнапорные, встречаются редко, обычно в междуречных толщах пологозалегающих осадочных пород при чередовании проницаемых пород с водоупорными (рис. 10.2).

Водоносный горизонт не занимает водопроницаемый пласт полностью — уровень его находится ниже подошвы перекрывающего его водоупора.

Область питания таких межпластовых безнапорных вод не совпадает с областью их распространения, а находится за её пределами, там, где водопроницаемые породы выходят на поверхность и не перекрыты сверху водоупором или путем фильтрации из рек и других поверхностных водоемов.

А также подпитывания с нижележащих водоносных горизонтов на участках выклинивания нижнего водоупора.

Рис. 10.2. Межпластовый безнапорный водоносный горизонт (разрез)

Артезианские воды

Артезианские воды — это межпластовые напорные воды, находящиеся обычно в нескольких водоносных горизонтах, залегающие в земной коре друг под другом и составляющие один артезианский бассейн (рис. 10.3).

Напоры в водоносных горизонтах артезианского бассейна зависят от разности высот области питания и области разгрузки.

Вода практически не сжимаема. Напор в подземных водах создаётся за счёт сил упругости. Как правило, чем глубже залегает водоносный горизонт, тем большим напором он обладает.

При вскрытии скважиной каждого водоносного горизонта, которое происходит на отметке кровли, уровень его поднимается, и по образовавшемуся столбу воды можно получить существующий в водоносном горизонте в данном месте напор.

Для каждого напорного водоносного горизонта всегда регистрируют: отметку встречи водоносного горизонта (появившийся уровень) и уровень после подъема воды в скважине, который называют пьезометрическим (напорным) уровнем.

Для определения величины напора надо взять разность отметок этих двух уровней — напор будет выражен в метрах водяного столба.

От уровня грунтовых вод, показывающего реально существующую границу раздела двух сред — зоны аэрации и зоны водонасыщения, пьезометрический уровень отличается тем, что это воображаемый уровень.

Он отражает существующий в водоносном горизонте напор (или отметки, до которых поднимется вода из напорного водоносного горизонта, если ей дать такую возможность, например, пробурив скважину).

Если напор водоносного горизонта превышает расстояние от его кровли до дневной поверхности — скважина фонтанирует.

Рис. 10.3. Схема залегания водоносных
горизонтов в артезианском бассейне

Пьезометрический уровень обязательно наносят на геологические разрезы, между скважинами положение его показывают путем интерполяции. Если скважин нет, прогнозное положение пьезометрического уровня проводят по общим соображениям.

Положение пьезометрической поверхности напорных вод в плане показывают строя карту гидроизопьез (аналогично карте гидроизогипс).

Основы гидрогеологии

Область питания напорного водоносного горизонта не совпадает с областью его распространения и может находиться на значительном удалении — там, где возможно поступление воды.

Разгрузка напорных вод происходит или в форме восходящих источников по трещинам и тектоническим зонам или в русла рек и дно морей и озер.

Это происходит также путем медленного перетекания через относительно водоупорные породы. Режим артезианских вод более стабильный по сравнению с режимом грунтовых вод, так как поверхностные факторы оказывают на них гораздо меньшее влияние.

При строительстве сооружений знать напор нижележащих водоносных горизонтов необходимо, так как при заглублении сооружения можно приблизиться к напорному водоносному горизонту на недопустимо близкое расстояние и спровоцировать взлом водоупора напорной водой.

Следствием чего будет затопление строительного котлована, и откачать воду, при значительной мощности и хорошей проницаемости пород водоносного горизонта, обычно не реально.

Типичный гидрогеологический разрез верхней части земной коры представлен на рис. 10.4

Рис. 10.4. Типичный гидрогеологический
разрез верхней части земной коры